电容式指纹传感器FPC1011C的指纹识别系统

摘要：阐述一款基于DSP(Digital Signal Processor)的嵌入式指纹识别系统，对其硬件设计电路和软件设计进行了详细的论述。设计了双电源切换系统，通过SPI协议与指纹采集头FPC1011C和液晶屏进行通信，能够方便地进行指纹采集、注册、匹配，可实时显示处理结果，并把数据及结果通过RS232传送到电脑终端。另外，系统既可以脱机使用，也可与PC联机使用。
关键词：DSP；指纹识别；FPC1011C

引言
    指纹识别系统是日常生活中常见的一种识别方式，其广泛应用于门禁、考勤和其他安防领域。本指纹识别系统，采用双供电方式，既可与电脑联机使用，也可作为便携式设备使用。作为便携式时，大约可存储300～500枚指纹，同时系统有着很高的识别率。
    指纹识别系统应用范围大、精度高、可以实时快速对指纹进行采集，注册匹配，广泛应用于安防领域中。

1 硬件设计
1．1 硬件架构框图
    本指纹识别系统是以TMS320VC5510A为硬件平台，配以Flash、SDRAM、指纹传感器FPC1011C、LCD和键盘等外围设备而成的嵌入式指纹识别系统。可以实现对指纹的识别、匹配、存储等功能。系统采用双电源设计保持系统随时供电。具体结构框图如图1所示。

1．2 指纹传感器模块
    FPC1011C是瑞典FingerPrints公司成功推出的一种电容式面装指纹传感器，具有高图像质量(363 dpi的分辨率)、高耐磨(高达100万次)、高抗静电(可达15 kV以上)、低功耗(3．3 V工作电压下的功耗为50 mw)等特点，是一种全新的基于certus传感器平台的电容式指纹传感器。其工作电压为2．5 V或者3．3 V，传感器还具有高速的SPI接口，8脚的软排线可以方便地接入各种系统。
    系统采用3．3 V电压对指纹传感器进行供电，把DSP的MCBSP2接口配置为SPI主机模式与传感器(SPI从机)进行通信。采集图像大小为200 ×152像素，SPI时钟频率由MCBSP2的CLKX2提供，设置为1 MHz。硬件连接如图2所示。

1．3 电源模块
    电源模块由两部分构成，分别是电源电池自动转换模块和DC／DC电平转换模块。转换模块使系统在掉电的情况下可以自动转到电池供电，使系统正常运行。DC／DC电平转换为DSP外设提供3．3V电压，为内核提供1．6 V电压。
    自动电源切换电路采用凌特公司的LTC4414，电路如图3所示。LTC4414通过控制2个P沟道MOSFET，实现一种用于电源切换的近似理想二极管的功能，从而实现两个电源的高效“或”操作。FDS6975是一款双P沟道MOSFET芯片。

    电平转换使用LMl085-3．3 V和LMl085-ADJ可调输出电压，输出电压VOUT=1．25×(1+R2／R1)。为产生1．6 V电压，使R2=38．3 Ω，R1=110 Ω，电路如图4所示。

1．4 人机交互模块
    为方便操作和直观显示处理结果，系统安装有键盘和LCD，可以实时进行操作和显示。LCD采用的是FYDl2864-0402B，其以ST7920为驱动模块，内嵌汉字库，支持串口和并口数据传输。此处采用串口SPI协议传输，如图5所示。

    数据传输时，DSP被配置为SPI主模式，以MCBSPl与LCD通信。通信过程中，CS为LCD的片选端，系统中直接接高电平，时钟SCLK由DSP的CLKXl提供，SID连接MCBSP1的数据输出口DXl。传输过程中要对数据进行打包，使其符合SID显示的数据格式。其中RW和RS为00时DSP向LCD写指令，为01时写数据。因此若向LCD发送数据“01h”，则实际数据为“FA0010”。时钟频率SCLK被设置为100kHz，可满足实时显示的需要。
人机交互中的键盘由3个按键组成，分别对应3个硬件中断(intO、intl、int2)，来实现指纹采集、注册和匹配功能。指纹采集后存入SDRAM，注册时指纹采集2次，匹配成功后存入Flash。匹配时先采集指纹进入SDRAM，再提取Flash中的指纹进行匹配，成功后作其他动作。

2 软件设计
    在硬件架构上必须有相应的软件设计才可以实现系统的功能。软件设计是在DSP的开发环境CCS中进行的，运用了嵌入式操作系统DSP／  BIOS，使开发更加方便快捷。在DSP／BIOS中，可方便地实现内存分配、中断选择、任务调度等功能。
    本系统的任务调度主要以3个硬件中断为触发条件，来实现指纹采集、注册和匹配功能，具体框图如图6所示。

    采用SEM对系统任务进行调度，系统上电启动后，任务处于挂起状态，并一直轮询，等待中断触发。启动注册中断时必须在采集两枚有效指纹数据成功的情况下触发，否则会显示注册失败。注册中断触发后，对两枚指纹进行匹配，如匹配成功则指纹特征数据写入Flash，如果失败则重新采集两枚指纹进行注册。这样可以降低因为首次指纹采集不清晰，而产生的匹配不成功。指纹匹配中断触发前提是Flash中存有注册的指纹，同时实时采集新的指纹成功。若匹配失败，则必须重新采集指纹进行匹配。
    指纹传感器图像采集程序如下：

3 总结
    本指纹采集系统可以完美地实现指纹的采集、注册和匹配功能，其内部算法处理时间<1 s，完全可以满足实时工作的需要。用各手指进行试验后，其平均FRR(FalseRejection Rate)和FAR(False Acceptance Rate)可达2．83％和0．17％，完全可以满足生活中的需要。